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5. TANQUES

En general un tanque es un recipiente para almacenar fluidos; en el caso de una batería un

tanque se usa para almacenar crudo o mezcla de agua y crudo.

5.1. Clasificación

Se pueden clasificar de varias maneras:

De acuerdo a su uso.

Tanques de almacenamiento (Stok - Tanks) usados para almacenar crudo de calidad

aceptable en la refinería.

Tanques de techo flotante. Son tanques de acero usados para almacenar hidrocarburos

volátiles, los cuales es necesario mantenerlos a presión constante, en este caso el techo

del tanque se mantiene sobre el nivel de fluido y subirá con éste a medida que vaya

entrando fluido al tanque.

Tanques con cojín de refrigeración. Cuando el hidrocarburo que se va almacenar es

volátil y además en la zona se presentan variaciones bruscas en temperatura, en este

caso, además de usar un tanque de techo flotante en el mismo techo se lleva un depósito

de fluido refrigerante el cual se encargará de mantener frío el fluido almacenado.

Tanques de prueba (Test Tank) aquellos en los cuales se recibe la producción del pozo

que está en prueba.

Tanques de lavado (Wash - Tanks) aquellos en los cuales se recibe mezcla de agua y

aceite para dejarla allí en reposo y permitir la separación de las fases. Pueden ser:

Fwko (Free Water Knock Out) cuando las fases de la mezcla no han estado ni están

emulsionadas. Se separan por gravedad.

Gun Barrels, más conocidos como tanques de lavado, a ellos van la mezcla cuyas fases

han estado emulsionadas y han sido sometidas a algún tipo de tratamiento para

separarlas, ene estos tanques se busca dejar la mezcla en reposo para obtener la

separación final de las fases; algunas veces los tanques tienen dispositivos internos para

ayudar a romper la emulsión.

Tanques de paja. Son tanques que en su interior poseen mecanismos de filtración para

ayudar a romper emulsiones por fricción o por adsorción. El mecanismo de filtración

puede ser filtros de madera (aserrín o viruta) o bafles ranurados. Generalmente se usan

para promocionar mecanismos finales de separación a una emulsión que ha recibido

2

tratamiento térmico y/o químico. Algunas veces los tanques "Fwko" pueden tener

sección de filtración.

5.2. Tanques de lavado

Como ya se dijo, en estos tanques se hace la separación de agua y aceite. Cuando el agua

está libre el tanque se conoce más bien como "Free Water Knock Out" y en él el agua se

separa por gravedad. Algunas veces ocurre que la mezcla producida por el pozo se lleva al

"Fwko" antes de pasar por el separador; del "Fwko" el gas y el aceite se llevan luego a

separador y el agua a las instalaciones de tratamiento para el agua; un esquema de un

"Fwko" usando en este caso se muestra en la Figura 37a. Como el tiempo de separación es

bastante corto, unos cinco minutos, la capacidad del recipiente es bastante grande. El caso

general es que la mezcla líquida pase al "Fwko" luego de salir del separador y en este caso

el "Fwko" es un tanque donde simplemente se lleva la mezcla y se les permite separación

de las fases por gravedad; en algunos casos puede ocurrir que a una determinado altura del

fondo del tanque haya un filtro sobre el cual es descargado el fluido, y el agua al tratar de

irse hacia abajo dejará en el filtro las gotas de aceite que traten de irse con ella; éste es el

caso que se ilustra en la figura 37b.

En el "Fwko" de la figura 37a el líquido entra por la tubería ranurada (1), el agua se va

acumulando en la parte inferior derecha y sale por (3) a través de una válvula controlada

por el nivel de agua. El petróleo y el gas salen por la tubería ranurada (2). Este tipo de

"Fwko" se podría usar para separar el agua libre antes de que el petróleo y el gas pasen al

separador.

El "Fwko" de la figura 37b, se usaría en caso de recibir la mezcla líquida proveniente del

separador; el filtro se usa en este caso para ayudar a atrapar las gotas de aceite que traten de

irse con el agua a través del filtro. Este filtro puede ser de madera (aserrín o viruta).

Existe una versión de FWKO conocida como "Flow Splitting Fwko", que además de retirar

el agua libre distribuye el flujo de la emulsión hacia varios recipientes (tratadores, por

ejemplo), la cual es muy utilizada cuando la cantidad de emulsión a tratar no se puede

manejar en un solo tratador. Este tipo de FWKO tiene en su interior una serie de

compartimientos a los cuales entra la emulsión y cada uno está provisto de una salida que

permite enviar la emulsión a un sitio determinado independiente de los demás. Son

recipientes de una gran capacidad y los compartimientos pueden ocupar de un 20 a un 30%

de la longitud total del recipiente dependiendo del número. Cada compartimiento requiere

un control de nivel de líquido, una válvula de descarga y un indicador de nivel. Cada

compartimiento se puede ajustar mientras la unidad está en operación y es posible variar la

cantidad de producción de cada uno de ellos ajustando su rebozadero.

La principal aplicación de los "Flow Splitters" es en campos donde el manejo de

producción está centralizada en una sola batería y en plataformas de producción costafuera.

3

Figura 37. Tipos de Fwko

En la figura 38 se muestran dos tanques de lavado usados para ayudar a separar el agua y el

aceite que han estado emulsionados y han sido sometidos a tratamiento térmico y/o químico

para conseguir la separación. El de la figura 38a se conoce como "Gun-barrel" y en él la

mezcla es descargada por debajo del nivel del agua así que el colchón de agua actúa como

un colchón de lavado y el petróleo al tratar de irse hace arriba va siendo lavado por el agua

y deja las gotas de agua que traten de irse con él. El tanque de la figura 38b es un caso de

un tanque de "paja", en donde los bafles con orificios hacen las veces de filtros y en este

caso la mezcla de agua y aceite es forzada a través del filtro lo cual implica fricción y esto

ayudará a que se rompa la emulsión.

En los tanques de la figura 38 la salida de agua es controlada por un sistema de sifón, el

cual asegura que el agua salga cuando el nivel de agua dentro del tanque esté a una

4

determinada altura. La altura del nivel de agua depende del tiempo que se requiera dejar el

agua en reposo para que las gotas de aceite se puedan escapar hacia arriba y también del

tiempo que se requiera dejar en reposo el aceite para que las gotas de agua puedan

descender. Estos tiempos de retención se podrían determinar si se conoce la velocidad de

caída de las partículas a través del fluido, la cual depende del tamaño de las partículas y de

la diferencia en densidades de la gota y del fluido en el que se encuentra suspendida (ver

ecuación (6)).

Figura 38. Tipos de tanques de lavado. a) Gun Barrel. b) Tanque de paja.

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En el tanque de la figura 38a, "Gun Barrel", no hay posibilidad de modificar tro o trw pues

hw y ho no se pueden modificar, en cambio en el tanque de la figura 38b, hw si se puede

modificar pues el sifón desemboca en un tanque en ese extremo se puede modificar la

altura del sifón aumentando o disminuyendo h'w (ver figura 38b) lo cual implica modificar

hw; la altura del sifón se puede modificar porque el extremo superior posee una serie de

anillos que se pueden quitar o colocar (sección a trazos del sifón) y de esa manera aumentar

o disminuir h'w si el petróleo no tiene tiempo suficiente de retención para que las gotas de

agua se asientan y en cambio el agua está saliendo bastante limpia, entonces se pueden

quitar anillos y disminuir h'w (y por tanto hw) y si el caso es el contrario se puede aumentar

trw aumentando hw lo cual se consigue agregando anillos y por tanto aumentando hw.

Tanque Electrostático de Lavado. A-. Sección Longitudinal. B-. Vista en Planta

6

5.3. Dimensionamiento de Gun Barrels Y FWKO

Al hacer el dimensionamiento de tanques se debe tener en cuenta si éste es un tanque de

tratamiento (del tipo Gun Barrel) o si es un tanque del tipo FWKO. En el primer caso el

aspecto importante es que el petróleo salga con el contenido de agua permisible en el

oleoducto, pues generalmente de este tanque el crudo sale para el tanque de

almacenamiento. En el segundo caso el aspecto importante es que el agua salga con la

mínima cantidad de crudo.

Lo anterior indica que para diseñar un tanque de tratamiento la velocidad terminal

importante es la de la partícula de agua y en un tanque del tipo FWKO la velocidad

terminal importante es la de la partícula de aceite las cuales se pueden calcular aplicando la

ecuación de Stokes (ecuación (3.6)).

Para hacer dimensionamiento tanto de "Gun Barrel" como de FWKO, se debe tener en

cuenta el proceso de retención y el de asentamiento y, lógicamente, que para el "Gun

Barrel" se usa la velocidad de asentamiento de la partícula de agua y para el FWKO la

velocidad de ascenso de la partícula de aceite.

Los tanques "Gun Barrel" son verticales, por tanto éstos y para los FWKO verticales, que

son raros, se usa en el dimensionamiento las ecuaciones (4.13) y (4.14) con las cuales se

pueden determinar el tamaño del recipiente (diámetro) y la altura del colchón de aceite en

el "Gun Barrel", o de agua en el FWKO para un tiempo de retención dado. El tiempo de

retención el FWKO es de unos cinco minutos y en el "Gun Barrel" depende de la calidad

deseada en el petróleo que sale de él.

Para dismensionar el FWKO horizontal se podrán utilizar las ecuaciones (4.9) y (4.10) pero

teniendo en cuenta que en la ecuación (4.9) se usan qL y μW, y en la ecuación (4.10) trL y qL

y que el valor para trL es de unos cinco minutos. qL y trL son la tasa de producción del

líquido y el tiempo de retención del líquido en BPD y minutos respectivamente.

Huffman(6)

presenta un procedimiento gráfico que también permite llegar a una

aproximación de los tamaños requeridos de "Gun Barrel" y "FWKO". En cuanto al "Gun

Barrel" es posible estimar el tamaño aproximado requerido usando la figura 39, la cual se

basa en lo siguiente: la mayoría de las emulsiones flojas ocurren con crudos de 30 a 45°

API, la mayoría de las emulsiones moderadas ocurren con crudos cuya gravedad API varía

entre 10 y 30° API. Usando la figura 39 y la tasa de producción esperada de petróleo en

barriles por día, se puede estimar el tamaño del tanque. Para diseñar un FWKO se debe

recordar que la finalidad es separar en este recipiente el agua libre, la cual por definición, el

agua que se alcanza a separar en 5 minutos. Para determinar el tamaño (diámetro) se debe

conocer la velocidad terminal de las partículas de petróleo en la fase agua y la tasa de

producción total. Las figuras 40 y 41 permiten seleccionar el tamaño del FWKO

conociendo la cantidad total de fluido a manejar, la diferencia en gravedades específicas del

petróleo y el agua y si el recipiente es vertical u horizontal.

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Figura 39. Carta para determinar el tamaño requerido de un tanque de lavado

(6).

Figura 40. Carta para determinar el tamaño de un FWKO Horizontal

(6)

8

Figura 41. Carta para determinar el tamaño de un FWKO Horizontal

(6)

Ejemplo 5.1.

Se requiere construir un tanque de lavado para manejar, con adición de químico, una

emulsión y se ha decidido que el diámetro del tanque sea de 6.098 m., y que la salida del

aceite esté 0.76 m por debajo del borde superior del tanque. Se sabe que el tamaño de las

partículas de agua y aceite es de 100 y 150 micras respectivamente, que los tiempos de

retención son de 60 y 15 minutos para el agua y el petróleo respectivamente, que la

gravedad específica del agua es de 1.03 y la del petróleo de 20°API y las viscosidades 10 y

2 cP. Para el petróleo y el agua respectivamente.

Determinara la altura del tanque

Las capacidades al agua y al aceite del tanque

Si la salida del agua se va a controlar por el sistema de sifón, encontrar la altura que

debe tener este.

Solución

Las capacidades al agua y al petróleo del tanque se pueden calcular con la ecuación de

asentamiento para recipientes verticales, ecuación (4.13)

9

1

2

2

P

qd 643,9

d

La cual se puede usar tanto para el petróleo como para el agua.

La capacidad del petróleo será:

2 2

p

o 2

o

d dq

643,9

La gravedad específica del petróleo es

o

141,5 131,50,934

API 131,5 20 131,5

Utilizando los datos del problema la capacidad al petróleo del tanque es:

2 2

o 2

6,098 3,28 12 100 62,4 1,03 0,934q 832,4BPD

643,9 10

De igual manera la capacidad para el agua será

2 2

w 2

6,098 3,28 12 150 62,4 1,03 0,934q 9.364,5BPD

643,9 2

La altura de las zonas de agua y petróleo se obtiene con la ecuación de retención: 2

rd h 8,58t q

Teniendo en cuenta los datos del problema, la altura para la zona de aceite es

ro o

o 2

8,58 t q 8,58 60 832,4h 7,5pu lgs.

d 6,098 3,28 12

Y la altura para la zona de agua es:

rw w

w 2

8,58 t q 8,58 15 9.364,5h 83,7pu lgs.

d 6,098 3,28 12

Suponiendo que la salida del agua del tanque esté por encima del fondo a una distancia

igual a la que se encuentra la del petróleo por debajo del tope, la altura del tanque será

Th 0,76 2 3,28 12 83,7 7,5 151,0pu lgs. 13pies

Suponiendo que el tanque trabaja a 5 Lpcm, la altura del sifón para controlar la salida de

agua es:

10

o o w ws

w

5 0,433 7,5 0,934 83,7 1,03 /125 h 0,433 h 0,433h 18,75pies

0,433 0,433 1,03

5.4. Tanques de almacenamiento (Stock - Tanks)

En los tanques de almacenamiento se almacena el petróleo ya en condiciones para ser

enviado a la refinería. El contenido de agua y contaminantes debe estar por debajo de los

límites permisibles en la refinería.

El petróleo que llega a los tanques de almacenamiento procede de los tanques de lavado

"FWKO" o "Gun Barrel", de separadores cuando éstos son trifásicos, de pozos limpios y

sin gas, etc.

Del tanque de almacenamiento sale generalmente el crudo hacia el oleoducto.

En general estos tanques son de forma cilíndrica, base plana y techo cóncavo. La salida del

tanque es por su parte inferior la cual comunica generalmente con las bombas del

oleoducto; la entrada al tanque puede ser por su parte superior o por su parte inferior. Las

válvulas a la entrada y la salida son generalmente válvulas de compuerta. Además, el

tanque tiene en su parte inferior una válvula para drenaje de agua la cual debe ser una

válvula que permita abrirla o cerrarla parcialmente; esta válvula permite drenar el agua que

posiblemente haya podido separarse en dicho tanque.

El gas que se separa en el tanque sale por su parte superior y puede ser que se escape a la

atmósfera o salga a una línea que comunica con varios tanques, recolecta el gas que se

pueda escapar y luego lo descarga en un sito determinado retirado de la batería en donde es

quemado el gas, esta línea se conoce como de venteo; éste es el caso más común cuando

son tanques para almacenamiento de crudo tipo “Black Oil”. Cuando el tanque es para

almacenar crudos livianos o derivados del petróleo los tanques generalmente están a

presión y poseen dispositivos para evitar que el líquido almacenado establezca contacto con

el aire o que el tanque pueda fallar por colapso cuando se drena o por "bursting" cuando se

está llenando, este objetivo se consigue con las unidades recuperadoras de vapor (VRU por

sus iniciales en inglés).

La figura 42 es un esquema del funcionamiento de una unidad recuperadora de vapor, la

cual tiene tres funciones:

Evitar el contacto del aire con el fluido almacenado

Recuperar los vapores que se liberen en el tanque

Evitar que el tanque falle por colapso durante la descarga o por “bursting” durante el

llenado.

Los componentes de la unidad recuperadora de vapor, ver figura 42, son:

11

Una línea de comunicación del tanque con un suministro de gas sobre la cual hay una

válvula que se activa por baja presión y comunica el tanque con la fuente de gas.

Un compresor cuya línea de succión está conectada al tanque. La succión de este

compresor se activa cuando la presión en el tanque alcanza un cierto valor

preestablecido.

La parte izquierda de la figura 42 esquematiza el proceso de vaciado, durante el cual la

presión interna en el tanque va disminuyendo y se va presentando una situación similar a

una succión lo cual puede ocasionar que el tanque se colapse; para evitar esto cuando la

presión baja a un cierto valor preestablecido la válvula sobre la línea de conexión con la

fuente de gas se abre y mantiene la presión del tanque. La parte derecha de la figura 42

muestra el proceso de llenado: en este caso al entrar fluido al tanque la presión interna

aumenta y si el tanque no tiene forma de aliviar su presión puede fallar por “bursting”; para

prevenir esto la VRU tiene el compresor cuya succión se activa al alcanzar la presión

interna del tanque un valor preestablecido y de esta forma el gas del tanque es succionado

por el compresor, manteniendo la presión dentro del tanque constante.

Los tanques, además de sus entradas y salidas poseen de otros dispositivos o accesorios que

permiten chequear su estado, funcionamiento, etc. Tales accesorios pueden ser indicadores

de nivel, facilidades para toma de muestras orificios que permitan hacerle mantenimiento

(hand-holes) etc.

Figura 42. Esquema del Funcionamiento de un Unidad Recuperadora de Vapor (VRU)

12

5.5. Operaciones de rutina en tanques

Las operaciones que normalmente se realizan en tanques varían dependiendo si es tanque

de almacenamiento o lavado; en estos últimos las más comunes son:

Chequeo de interfases y de nivel de líquido. Esto se hace generalmente a través de los

visores.

Chequeo de la calidad de la separación. Es importante chequear que el agua y el

petróleo estén saliendo lo más puros posible y para ello se toman muestras en puntos

determinados del tanque usando válvulas laterales que permiten tomar muestras a

diferentes alturas del tanque, estas muestras se llevan al laboratorio y se determina por

el método de centrifugación su contenido de agua y sedimentos. También se puede

chequear la calidad de la separación abriendo la válvula de drenaje para el agua y

observando el aspecto de ésta.

Controlar el drenaje de agua. Dependiendo del aspecto que presenta el agua que está

saliendo del tanque el tiempo de retención del agua se puede modificar

Toma de muestras. Una de las finalidades de tomar muestras es chequear la calidad de

la separación. Las muestras se pueden tomar usando válvulas laterales en el tanque o

bajando un "toma muestra" (ladrón) desde el techo del tanque a través del orificio para

este fin.

Cuando el tanque es de almacenamiento las operaciones más comunes son:

Ponerlo a recibir o cerrar recepción. La recepción de un tanque puede estar en su parte

inferior o superior; pero cuando recibe de una bomba la recepción está en la parte

inferior con el fin de que el colchón de líquido que se va formando amortigue las

vibraciones que induce la bomba a través de la línea de descarga..

Determinación de nivel. Algunas veces el tanque posee dispositivos que permiten

determinar la altura del nivel de líquido de una manera inmediata pero otras veces,

sobre todo cuando son tanques viejos, no; en estos casos por un orificio en el techo del

tanque se baja una cinta metálica en cuyo extremo hay una plomada; cuando la plomada

llegue al fondo del tanque, lo cual se detecta en superficie por la disminución en la

tensión de la cinta, se retira la cinta la cual muestra hasta qué altura estaba al aceite.

Calculo de volúmenes. Conociendo la altura del nivel de fluido se puede, usando tablas

de aforo para el tanque, determinar el volumen de fluido contenido en el tanque.

Drenaje del agua que haya podido separarse.

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Referencias Bibliográficas

1. Powers, M.L., “A Modern Gun Barrel of Unique Design”, paper SPE 028538 (SPEPF

02/96, Pag. 54).